termodinamica i - Biblioteca de la UNS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA
I
2011 – II
TERMODINAMICA - I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
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DE INGENIERIA EN ENERGIA
UNIDAD
Nº 1
SESION Nº 2
TERMODINAMICA - I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
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I.-
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LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.“ DOS CUERPOS ESTAN EN EQUILIBRIO TERMICO SI AMBOS
TIENEN LA MISMA LECTURA DE TEMPERATURA INCLUSO SI
NO ESTAN EN CONTACTO ”
Fierro
150 ºC
Cobre
20 ºC
recinto
aislado
Fierro
60 ºC
este equilibrio requiere que se
construya un modelo que per-
Cobre
60 ºC
mita determinar de manera
cuantitativa el valor del contenido energético del sistema
Otra manera de definir la Ley cero es :
“ SI DOS CUERPOS ESTAN EN EQUILIBRIO TERMICO CON UN
TERCERO, ESTARAN EN EQUILIBRIO TERMICO ENTRE SI ”
Es un enunciado muy simple y fácilmente aceptable, pero que a su vez
tiene una enorme trascendencia en la Termodinámica, ya que es la base o
principio de la medición de temperatura, en donde el tercer cuerpo mencionado
viene a ser el termómetro.
El sistema que permite asignar valores al nivel de contenido energético se
denomina ITS – 90 (escala internacional de temperatura), que reemplaza a las
ITS – 27, ITS – 48 y a ITS – 68.
La ITS – 90 se extiende arriba de 0.65 K hasta la temperatura más alta
medible en términos de la Ley de Radiación de Planck, mediante radiación
monocromática.
En la ITS – 90, la escala de temperatura está considerada en 4 intervalos:
a).-
de 0.65 K a 5 K, la escala se define en términos de la presión de vapor,
relaciones de temperatura para 3He y 4He.
b).-
entre 3 K y 24.5561 K (punto triple del Ne) se define por medio de un
termómetro de gas He, calibrado apropiadamente.
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c).-
de 13.8033 K (punto triple del H2) a 1234.93 K (punto de congelación de la
Ag) se define a través de termómetros de resistencia de Pt calibrados en
conjuntos especificados de puntos fijos de definición.
d).-
de 1234.93 K a más se define en relación a la Ley de Radiación de Planck,
tomándose como punto fijo de definición el punto de congelación del Au,
1337.33 K
La escala de temperatura termodinámica se determina asignando un
punto de referencia de temperatura mínima como 0 K.
En 1989, mediante técnicas de refrigeración en cascada se logró medir la
temperatura más baja, de manera experimental el valor encontrado fue de:
0.000000002 K.
A.-
PROPIEDADES TERMOMETRICAS.-
Muchos materiales, presentan ciertas propiedades físicas peculiares, tal
como su comportamiento frente a la temperatura.
Se emplea esta propiedad para construir aparatos que permitan medir la
temperatura de un sistema, las características deseables de los materiales para
tal efecto son:
.-
Volumen de gases, líquidos y sólidos.
.-
Presión de gases a volumen constante
.-
Resistencia eléctrica de sólidos
.-
Fuerza electromotriz de dos sólidos distintos.
.-
Intensidad de radiación (a temperaturas altas)
.-
Efectos magnéticos (a temperaturas extremadamente bajas).
Para rangos de temperatura muy moderada, se emplea la propiedad
termométrica de dilatación volumétrica de líquidos, ej. Termómetro de vidrio
que contiene mercurio.
Si se emplea la propiedad de resistencia eléctrica de algunos metales y
semiconductores como propiedad termométrica, los dispositivos empleados para
medir la temperatura se denominan termistores.
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Si la propiedad termométrica empleada es la fuerza electromotriz de
sólidos en contacto, el dispositivo se denomina termocupla o termopar.
Si la propiedad termométrica empleada es la intensidad de radiación, el
dispositivo recibe el nombre de pirómetro óptico.
B.-
ESCALAS DE TEMPERATURA.-
Para medir la temperatura de cualquier sistema termodinámico, se
emplean dos escalas: Absoluta y relativa, según el sistema de unidades a
emplear.
En el SI (sistema internacional) la escala absoluta empleada es la escala
Kelvin ( K ), para la escala relativa, se emplea la escala Celsius ( ºC ), en el
sistema de unidades inglesas, la escala absoluta a emplear es la escala Rankine (
ºR ) y la escala relativa a emplear es la escala Fahrenheit ( ºF ).
En la determinación de la escala de temperatura, se parte de la asignación
de un valor referencial para un punto elegido arbitrariamente como estado de
referencia.
En el SI este estado de referencia es el sistema donde coexisten en
equilibrio el agua sólida, líquida y gaseosa, a este punto denominado PUNTO
TRIPLE DEL AGUA, se le ha asignado el valor de 273.16 en la escala Kelvin,
valor que se diferencia en 0.01 K del valor del punto normal de congelación del
agua, por lo que se define el valor de 273.15 K (1 atm) como punto de referencia
de temperaturas, esto equivale a 0 ºC.
K
ºC
ºR
ºF
temperatura
normal de
ebullición del
agua
373.15
99.97
671.67
211.95
punto triple
del agua
273.16
0.01
491.69
32.02
Cero
absoluto
TERMODINAMICA - I
273.15
0.00
491.67
0.00
– 273.15
0.00
32.00
– 459.67
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Las relaciones de conversión de temperaturas son:
C.-
T ( ºC ) = T ( K ) – 273.15
…………. (1)
T ( K ) = T ( ºC ) + 273.15
…………. (2)
T ( ºR ) = 1.8 T ( K )
…………. (3)
T ( ºF ) = T ( ºR ) – 459.67
…………. (4)
T ( ºR ) = T ( ºF ) + 459.67
………. (5)
T ( ºF ) = 1.8 T ( ºC ) + 32
…….… (6)
TERMOMETRO DE GAS IDEAL.-
Es un dispositivo que emplea la propiedad termométrica definida como la
relación de la variación de la presión del gas a volumen constante con la
variación de la temperatura.
P atmosférica
z
bulbo
frontera del sistema
a presiones extremadamente bajas , el producto Pυ varia linealmente con la
temperatura, por lo tanto empleando una temperatura de referencia T* se
puede encontrar que :
∗
=
A volumen constante, se tiene :
Finalmente :
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T(K)
(
= 273.16
)∗
∗
……. (7)
=
∗
……. (8)
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P y Ppt son presiones absolutas. El dispositivo mostrado mide verdaderamente la
temperatura termodinámica.
II.- PROPIEDADES FISICAS DE LAS SUSTANCIAS.1.-
2.-
3.-
DENSIDAD.-Se define como la relación de la masa por unidad de volumen
ρ =
=
kg/m3 ; g/cm3 ; lb/ft3 .
……. (10)
VOLUMEN ESPECÍFICO.- Es la relación del volumen de una sustancia
con referencia a su masa; es el recíproco de la densidad.
=
=
…… (11) m3/kg ; ft3/lb ; cm3/gr
PESO ESPECIFICO.- Es la relación del peso de una sustancia por unidad
de volumen.
γ = w =
A.-
..…..(9)
DENSIDAD RELATIVA.- Es la relación de la densidad de una
sustancia con la densidad del agua a una temperatura dada ( 4ºC ; 20 ºC ó
60 ºF ). Como la máxima densidad del agua se da a 4 ºC, ésta se toma
normalmente como referencia ( 1.000 g/cm3 , 1000 kg/m3 ; 62.4281 lb/ft3 ).
υ =
4.-
=
=
=
…. (12)
PRESION.-Se define como la fuerza normal ejercida por un sistema sobre
un área unitaria de su frontera.
Para un fluido en equilibrio estático, la relación entre la presión y la
elevación dentro del fluido está dado por la ecuación básica de la estática
de fluidos.
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Z
ΔZ
( P + ΔP ) A
ΔP A = – ρVol g = – ρ ( A ΔZ ) g
ΔP = – ρΔZ g
ρ(vol)g
dP = – γ dZ
=
0 = P A – ( P + ΔP ) A – ρVol g
Fluido
O
∑
PA
……………….. integrando se tiene
ΔP = – γ ΔZ …………… ΔP = – ρg ΔZ
Generalmente se escribe :
B.-
ΔP = ρg h = γ h
…… (13)
UNIDADES DE PRESION.-
En el sistema SI la unidad de presión es el Pascal ( Pa ) : fuerza/área
Pa =
=
.
.
=
.
….. (14)
Como el Pascal es una unidad de presión muy pequeña, generalmente se emplea
el kPa o el MPa ; también se puede emplear las siguientes unidades :
Bar = 105 N/m2 = 102kPa = 0.1 MPa
1 atm = 1.01325 bar = 1.01325 x 105 N/m² = 14.696 lbf / in² (psi)
1 atm = 760 mm Hg= 1.01325 kgf/cm²
Condiciones estándar de g y T, nivel del mar y 45º latitud.
( 273.15 K y 9.80665 m/s² )
C.-
PRESION ABSOLUTA Y MANOMETRICA.-
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La presión barométrica es considerada como la presión local o presión
atmosférica real, su valor es variable, dependiendo del lugar y del tiempo, se
mide mediante un dispositivo llamado barómetro.
La presión en un lugar determinado de un sistema puede estar referida a
la presión cero o a la presión atmosférica
P=1
Presión manométrica
Presión atmosférica
estándar
Presión atmosférica
local
presión
de vacío
Presión
absoluta
P=2
Presión atmosférica
presión absoluta
P=0
Del diagrama se puede deducir que:
Pabsoluta = Patmosférica + Pmanométrica
……. (14)
Mientras que no se afirme lo contrario, la presión siempre se considera
atmosférica normal.
La presión manométrica se mide mediante un dispositivo llamado
manómetro, el valor que indica este dispositivo siempre es mayor que la presión
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atmosférica y si marca un valor negativo, se trata de una presión de vacío, que es
menor que la presión atmosférica.
Para los cálculos se emplea la siguiente notación: (SI)
Patm. ; Pman. ; Pabs.
En el sistema inglés : Psi = poundal square inch ( lbf/in²) (P. atmosférica)
Psia = poundal square inch absolute(P. absoluta)
Psig = poundal square inch gauge (P. manométrica)
El manómetro es un dispositivo que se emplea para medir una diferencia
de presión en función de la altura de una columna líquida; el fluido
manométrico puede ser cualquier fluido, generalmente se emplea el mercurio (
ρ20ºC
= 13.550 kg/m3).
Patmosférica
Gas A
h
PA> Patm.
g = 9.80665 m/s²
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ΔP = ρ . g . h = γ . h
Líquido manométrico
……………… g = 32.174 ft/s²
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